勺式玉米排種器工作原理及動力學分析研究

李德鑫+于文昌+蘆磊

摘要：玉米排種器是玉米播種機的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)與性能設計直接影響播種質(zhì)量。闡述勺式玉米排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理，詳細分析排種器充種、清種、投種過程中種子的受力情況，以期為該類型排種器的設計與改進提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米；排種器；原理；受力分析

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）02-0035-03

玉米排種器是玉米播種機的主要工作部件，排種器的精度和實用性直接影響播種進程與質(zhì)量。以傾斜圓盤勺式排種器為例，研究勺式玉米排種器的工作原理及動力學分析，為提高玉米排種器的精度提供新的可能性。

1 玉米排種器的結(jié)構(gòu)與工作過程

傾斜圓盤勺式排種器主要由投種輪、分種盤、種箱及外殼等組成（如圖1所示）。在工作過程中，玉米種子從種箱中掉落到分種盤，并在重力作用下落入排種輪轂的輪孔，經(jīng)主軸的轉(zhuǎn)動在到達出口處掉落，完成投種的過程。同時要保證種子在土壤中排列分布均勻化，實現(xiàn)精準投種。

2 玉米排種器的工作原理

當排種器在外界動力的作用下工作時，箱體內(nèi)部的種子由于自身的重力原因落入分種箱充種。在主軸的帶動下，分種勺盤也轉(zhuǎn)動，此時種子在分種勺的作用下進行分種，這個過程呈現(xiàn)的是圓周運動軌跡；當被分種勺帶動到裝置的頂部時，種子便會落入排種輪內(nèi)，由排種輪的轉(zhuǎn)動帶動種子送達投種口；當種子到達投種口時，便會由于離心力的作用和自身重力原因脫落于土壤中；而后依靠播種器的尾部支撐輪等裝置進行覆土和鎮(zhèn)壓。

3 玉米排種器的動力學分析

種子在排種器中的運動可分為3個部分：充種、清種和投種。在排種器動態(tài)運行的過程中，種子的運行受設備的影響較大。由于種子受到各種綜合的作用力，若對其做精準的受力分析，過程非常復雜。為此，簡化物理過程和物理量為：1） 視玉米種子為球體，種子半徑r，質(zhì)量m；2） 簡化掉種子之間的相互碰撞力，以單位種子為研究對象。以此分析種子在裝置中的不同階段的受力過程。

3.1 充種時種子受力分析

1） 分種勺側(cè)面種子的充種極限角。初始階段，大量的種子涌進排種器內(nèi)，狀態(tài)無任何規(guī)律，貼近分種勺的種子隨著運動的過程進入勺內(nèi)，其他未進入分種勺的種子會在重力和離心力的作用下繞中心轉(zhuǎn)動。以進入分種勺的種子為研究對象，其受力情況如圖2所示。種子在分種勺的位置的角度記為θ；種子受力主要有重力、離心力、分種勺面的靜摩擦力和隔板間的滑動摩擦力，用符號分別記為mg，mω2r，F(xiàn)N和F′。

通過受力分析，計算出種子在分種勺的極限充種角度θbc。

式中：α'為導種臺傾角；Φ為種子靜摩擦角；Φ'為種子滑動摩擦角；r為種子質(zhì)心距主軸心距離；ω為角速度。

2） 分種勺側(cè)面種子的回落角。散落在邊緣的種子會掉入種子群內(nèi)部，此時其受力情況如圖3所示。

通過列出受力平衡方程，計算出種子掉落在種群的角度θbh。

3.2 清種時種子受力分析

1） 確定初始清種角度。分種勺在旋轉(zhuǎn)的同時會遠離充種區(qū)，設此時的角度為θ1。位于空間中散落的種子回落清種。假設種子在排種器上的支持力為N，若N>0，種子便不會下落；若N≤0，則種子會沿著內(nèi)壁掉下。為便于受力分析，首先建立xoy坐標系統(tǒng)，x軸方向與導種臺面平行，y軸為垂直方向（如圖4所示）。列出動作初始時種子在重力和離心力、支持力的作用下產(chǎn)生的關(guān)系方程并求解。

式中：α″為導種臺傾斜的角度；β為排種器角度；ω為角速度。

2） 確定清種結(jié)束角度。在整個清種過程中，隨裝置的旋轉(zhuǎn)，多余的種子會回落到充種區(qū)。只有在一定角度時，分種勺內(nèi)剩余能夠進入護種階段的種子。記此時的角度為θ2，稱該角度為清種結(jié)束角，如圖5所示。

清種結(jié)束角的確定直接影響到清種過程，角度過大過小都不合適。角度過小不能充分進行清種過程；角度過大會發(fā)生重播現(xiàn)象。此外，該角度的設計也會涉及到投種口位置的確定。列出清種過程結(jié)束時種子的受力關(guān)系方程與θ2的公式。

3） 確定完全清種角度。完全清種角θ6的受力分析簡圖如圖6所示。

當清種結(jié)束，保留在分種勺內(nèi)的種子呈現(xiàn)的受力關(guān)系方程為：

式中：α′為分種勺底面的傾角；φ1為種子與排種器內(nèi)壁的摩擦角；φ2為種子與分種勺之間的摩擦角；θ5為分種勺中僅存的一粒種子開始滑落時的角度。

3.3 投種時種子受力分析

在投種的過程中，種子的運行速度會逐漸下降，此時集中在種子上的3個力的受力關(guān)系方程為：

式中：φ1為種子與排種器內(nèi)壁的摩擦角；β為排種器的垂直傾角；θ7為玉米種子開始減速時的角度。

在經(jīng)過如圖7所示的角度之后，種子的行進速度會下降，并且小于輪轂的速度，因此會產(chǎn)生沿內(nèi)壁切向向上的趨勢，而發(fā)生碰撞被投種子的可能。為了安全起見，設計時應使θ7的角度接近于理論設計時的投種角α0，從而避免強制投種的現(xiàn)象。

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Research on Working Principle and Kinetic Analysis of

Scoop Model Corn Seed-metering Device

LI Dexin， YU Wenchang， LU Lei

（Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China）

Abstract： Corn seed-metering device is the main working part of corn planter， the design of structure and performance will influence directly the quality of sowing. This paper expounded the structure and working principle of scoop model corn seed-metering device， and analyzed in detail the seed force condition in the process of filling seed， cleaning seed and seed charge when seed-metering was working， in order to provide theoretical basis for the design and improvement of this type of seed-metering device.

Key words： corn； seed-metering device； principle； force analysis